Los expansores pueden usar la reducción de presión para impulsar máquinas rotativas. Puede encontrar información sobre cómo evaluar los posibles beneficios de instalar un extensor aquí.
En la industria de procesos químicos (IPC), se desperdicia una gran cantidad de energía en las válvulas de control de presión donde es necesario despresurizar fluidos a alta presión [1]. Dependiendo de diversos factores técnicos y económicos, puede ser conveniente convertir esta energía en energía mecánica rotatoria, que puede utilizarse para accionar generadores u otras máquinas rotatorias. Para fluidos incompresibles (líquidos), esto se logra mediante una turbina de recuperación de energía hidráulica (HPRT; véase la referencia 1). Para líquidos compresibles (gases), un expansor es una máquina adecuada.
Los expansores son una tecnología consolidada con numerosas aplicaciones exitosas, como el craqueo catalítico de fluidos (FCC), la refrigeración, las válvulas de gas natural, la separación de aire o las emisiones de escape. En principio, cualquier corriente de gas con presión reducida puede utilizarse para impulsar un expansor, pero la producción de energía es directamente proporcional a la relación de presiones, la temperatura y el caudal de la corriente de gas [2], así como a la viabilidad técnica y económica. Implementación del expansor: El proceso depende de estos y otros factores, como los precios locales de la energía y la disponibilidad de equipos adecuados por parte del fabricante.
Aunque el turboexpansor (que funciona de forma similar a una turbina) es el tipo de expansor más conocido (Figura 1), existen otros tipos adecuados para diferentes condiciones de proceso. Este artículo presenta los principales tipos de expansores y sus componentes, y resume cómo los gerentes de operaciones, consultores o auditores energéticos de diversas divisiones de CPI pueden evaluar los posibles beneficios económicos y ambientales de instalar un expansor.
Existen muchos tipos diferentes de bandas de resistencia con una geometría y una función muy variables. Los tipos principales se muestran en la Figura 2, y cada uno se describe brevemente a continuación. Para obtener más información, así como gráficos que comparan el estado de funcionamiento de cada tipo según diámetros y velocidades específicos, consulte la Ayuda. 3.
Turboexpansor de pistón. Los turboexpansores de pistón y de pistón rotatorio funcionan como un motor de combustión interna de rotación inversa, absorbiendo gas a alta presión y convirtiendo la energía almacenada en energía rotacional a través del cigüeñal.
Arrastre el turboexpansor. El expansor de la turbina de freno consiste en una cámara de flujo concéntrica con aletas de cubo unidas a la periferia del elemento giratorio. Su diseño es similar al de las ruedas hidráulicas, pero la sección transversal de las cámaras concéntricas aumenta de entrada a salida, permitiendo la expansión del gas.
Turboexpansor radial. Los turboexpansores de flujo radial tienen una entrada axial y una salida radial, lo que permite que el gas se expanda radialmente a través del impulsor de la turbina. De forma similar, las turbinas de flujo axial expanden el gas a través de la rueda de la turbina, pero la dirección del flujo permanece paralela al eje de rotación.
Este artículo se centra en los turboexpansores radiales y axiales y analiza sus distintos subtipos, componentes y aspectos económicos.
Un turboexpansor extrae energía de una corriente de gas a alta presión y la convierte en una carga motriz. Normalmente, la carga es un compresor o generador conectado a un eje. Un turboexpansor con compresor comprime el fluido en otras partes del proceso que lo requieren, aumentando así la eficiencia general de la planta al aprovechar la energía que de otro modo se desperdiciaría. Un turboexpansor con generador convierte la energía en electricidad, que puede utilizarse en otros procesos de la planta o devolverse a la red eléctrica local para su venta.
Los generadores turboexpansores pueden estar equipados con un eje de transmisión directa desde la rueda de la turbina hasta el generador, o mediante una caja de engranajes que reduce eficazmente la velocidad de entrada de la rueda de la turbina al generador mediante una relación de transmisión. Los turboexpansores de transmisión directa ofrecen ventajas en eficiencia, espacio ocupado y costos de mantenimiento. Los turboexpansores con caja de engranajes son más pesados y requieren un mayor espacio ocupado, equipos auxiliares de lubricación y mantenimiento regular.
Los turboexpansores de flujo continuo pueden fabricarse en forma de turbinas radiales o axiales. Los expansores de flujo radial cuentan con una entrada axial y una salida radial, de modo que el flujo de gas sale de la turbina radialmente desde el eje de rotación. Las turbinas axiales permiten que el gas fluya axialmente a lo largo del eje de rotación. Las turbinas de flujo axial extraen energía del flujo de gas a través de álabes guía de entrada hacia la rueda expansora, aumentando gradualmente el área transversal de la cámara de expansión para mantener una velocidad constante.
Un generador turboexpansor consta de tres componentes principales: una rueda de turbina, cojinetes especiales y un generador.
Rueda de turbina. Las ruedas de turbina suelen diseñarse específicamente para optimizar la eficiencia aerodinámica. Las variables de aplicación que afectan el diseño de la rueda de turbina incluyen la presión de entrada/salida, la temperatura de entrada/salida, el caudal y las propiedades del fluido. Cuando la relación de compresión es demasiado alta para reducirse en una sola etapa, se requiere un turboexpansor con varias ruedas de turbina. Tanto las ruedas de turbina radiales como las axiales pueden diseñarse como multietapa, pero las ruedas de turbina axiales tienen una longitud axial mucho menor y, por lo tanto, son más compactas. Las turbinas de flujo radial multietapa requieren que el gas fluya de axial a radial y viceversa, lo que genera mayores pérdidas por fricción que las turbinas de flujo axial.
Cojinetes. El diseño de los cojinetes es fundamental para el funcionamiento eficiente de un turboexpansor. Los tipos de cojinetes relacionados con los diseños de turboexpansores varían ampliamente e incluyen cojinetes de aceite, cojinetes de película líquida, cojinetes de bolas tradicionales y cojinetes magnéticos. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, como se muestra en la Tabla 1.
Muchos fabricantes de turboexpansores eligen los cojinetes magnéticos como su opción preferida debido a sus ventajas únicas. Los cojinetes magnéticos garantizan un funcionamiento sin fricción de los componentes dinámicos del turboexpansor, lo que reduce significativamente los costes de operación y mantenimiento durante la vida útil de la máquina. Además, están diseñados para soportar una amplia gama de cargas axiales y radiales, así como condiciones de sobreesfuerzo. Sus mayores costes iniciales se compensan con unos costes de ciclo de vida mucho menores.
Dínamo. El generador aprovecha la energía rotacional de la turbina y la convierte en energía eléctrica útil mediante un generador electromagnético (que puede ser un generador de inducción o un generador de imanes permanentes). Los generadores de inducción tienen una velocidad nominal menor, por lo que las aplicaciones de turbinas de alta velocidad requieren una caja de engranajes, pero pueden diseñarse para adaptarse a la frecuencia de la red, eliminando así la necesidad de un variador de frecuencia (VFD) para suministrar la electricidad generada. Los generadores de imanes permanentes, por otro lado, pueden acoplarse directamente al eje de la turbina y transmitir energía a la red mediante un variador de frecuencia. El generador está diseñado para entregar la máxima potencia en función de la potencia del eje disponible en el sistema.
Sellos. El sello también es un componente crítico en el diseño de un sistema de turboexpansor. Para mantener una alta eficiencia y cumplir con las normas ambientales, los sistemas deben sellarse para evitar posibles fugas de gas de proceso. Los turboexpansores pueden equiparse con sellos dinámicos o estáticos. Los sellos dinámicos, como los sellos laberínticos y los sellos de gas seco, proporcionan un sello alrededor de un eje giratorio, generalmente entre la rueda de la turbina, los cojinetes y el resto de la máquina donde se ubica el generador. Los sellos dinámicos se desgastan con el tiempo y requieren mantenimiento e inspección regulares para garantizar su correcto funcionamiento. Cuando todos los componentes del turboexpansor están contenidos en una sola carcasa, se pueden utilizar sellos estáticos para proteger cualquier cable que salga de la carcasa, incluyendo el generador, los accionamientos de cojinetes magnéticos o los sensores. Estos sellos herméticos brindan protección permanente contra fugas de gas y no requieren mantenimiento ni reparación.
Desde la perspectiva del proceso, el requisito principal para instalar un expansor es suministrar gas compresible (no condensable) a alta presión a un sistema de baja presión con suficiente flujo, caída de presión y utilización para mantener el funcionamiento normal del equipo. Los parámetros operativos se mantienen seguros y eficientes.
En cuanto a la función de reducción de presión, el expansor puede utilizarse para reemplazar la válvula Joule-Thomson (JT), también conocida como válvula de mariposa. Dado que la válvula JT se mueve en una trayectoria isoentrópica y el expansor en una trayectoria casi isoentrópica, este último reduce la entalpía del gas y convierte la diferencia de entalpía en potencia en el eje, lo que produce una temperatura de salida más baja que la de la válvula JT. Esto es útil en procesos criogénicos donde el objetivo es reducir la temperatura del gas.
Si existe un límite inferior para la temperatura del gas de salida (por ejemplo, en una estación de descompresión donde la temperatura del gas debe mantenerse por encima de la temperatura de congelación, hidratación o mínima de diseño del material), se debe añadir al menos un calentador para controlar la temperatura del gas. Cuando el precalentador se ubica aguas arriba del expansor, parte de la energía del gas de alimentación también se recupera en el expansor, lo que aumenta su potencia. En algunas configuraciones donde se requiere controlar la temperatura de salida, se puede instalar un segundo recalentador después del expansor para un control más rápido.
En la Fig. 3 se muestra un diagrama simplificado del diagrama de flujo general de un generador expansor con precalentador utilizado para reemplazar una válvula JT.
En otras configuraciones de proceso, la energía recuperada en el expansor puede transferirse directamente al compresor. Estas máquinas, a veces llamadas "comandantes", suelen tener etapas de expansión y compresión conectadas por uno o más ejes, que también pueden incluir una caja de engranajes para regular la diferencia de velocidad entre ambas etapas. También pueden incluir un motor adicional para proporcionar más potencia a la etapa de compresión.
A continuación se muestran algunos de los componentes más importantes que garantizan el correcto funcionamiento y la estabilidad del sistema.
Válvula de derivación o válvula reductora de presión. La válvula de derivación permite que el turboexpansor continúe operando cuando no está en funcionamiento (por ejemplo, por mantenimiento o emergencia), mientras que la válvula reductora de presión se utiliza para el funcionamiento continuo y suministra gas excedente cuando el flujo total excede la capacidad de diseño del expansor.
Válvula de parada de emergencia (ESD). Las válvulas ESD se utilizan para bloquear el flujo de gas hacia el expansor en caso de emergencia y evitar daños mecánicos.
Instrumentos y controles. Las variables importantes a monitorear incluyen la presión de entrada y salida, el caudal, la velocidad de rotación y la potencia de salida.
Conducción a velocidad excesiva. El dispositivo interrumpe el flujo a la turbina, lo que provoca la desaceleración del rotor, protegiendo así el equipo de velocidades excesivas debido a condiciones de proceso inesperadas que podrían dañarlo.
Válvula de seguridad de presión (PSV). Las PSV suelen instalarse después de un turboexpansor para proteger tuberías y equipos de baja presión. La PSV debe estar diseñada para soportar las contingencias más severas, que suelen incluir la falla de la válvula de derivación al abrirse. Si se instala un expansor en una estación de reducción de presión existente, el equipo de diseño del proceso debe determinar si la PSV existente ofrece la protección adecuada.
Calentador. Los calentadores compensan la caída de temperatura causada por el paso del gas a través de la turbina, por lo que es necesario precalentarlo. Su función principal es aumentar la temperatura del flujo de gas ascendente para mantener la temperatura del gas que sale del expansor por encima de un valor mínimo. Otra ventaja de aumentar la temperatura es aumentar la potencia de salida y prevenir la corrosión, la condensación o los hidratos que podrían afectar negativamente a las boquillas del equipo. En sistemas con intercambiadores de calor (como se muestra en la Figura 3), la temperatura del gas suele controlarse regulando el flujo de líquido caliente hacia el precalentador. En algunos diseños, se puede utilizar un calentador de llama o eléctrico en lugar de un intercambiador de calor. Es posible que ya existan calentadores en una estación de válvulas JT, y añadir un expansor podría no requerir la instalación de calentadores adicionales, sino aumentar el flujo de fluido caliente.
Sistemas de aceite lubricante y gas de sellado. Como se mencionó anteriormente, los expansores pueden utilizar diferentes diseños de sellos, lo que puede requerir lubricantes y gases de sellado. Cuando corresponda, el aceite lubricante debe mantener una alta calidad y pureza al entrar en contacto con los gases de proceso, y su viscosidad debe mantenerse dentro del rango de operación requerido para los cojinetes lubricados. Los sistemas de gas sellado suelen estar equipados con un dispositivo de lubricación de aceite para evitar que el aceite de la caja de cojinetes entre en la caja de expansión. Para aplicaciones especiales de los expansores utilizados en la industria de hidrocarburos, los sistemas de aceite lubricante y gas de sellado suelen diseñarse según las especificaciones API 617 [5] Parte 4.
Variador de frecuencia (VFD). Cuando el generador es de inducción, se suele activar un VFD para ajustar la señal de corriente alterna (CA) a la frecuencia de la red eléctrica. Normalmente, los diseños basados en variadores de frecuencia presentan una mayor eficiencia general que los que utilizan cajas de engranajes u otros componentes mecánicos. Los sistemas basados en VFD también pueden adaptarse a una mayor variedad de cambios de proceso que pueden resultar en cambios en la velocidad del eje del expansor.
Transmisión. Algunos diseños de expansores utilizan una caja de engranajes para reducir su velocidad a la velocidad nominal del generador. El costo de usar una caja de engranajes es una menor eficiencia general y, por lo tanto, una menor potencia de salida.
Al preparar una solicitud de cotización (RFQ) para un expansor, el ingeniero de procesos primero debe determinar las condiciones de operación, incluida la siguiente información:
Los ingenieros mecánicos suelen completar las especificaciones del generador de expansores utilizando datos de otras disciplinas de ingeniería. Estos datos pueden incluir lo siguiente:
Las especificaciones también deben incluir una lista de documentos y dibujos proporcionados por el fabricante como parte del proceso de licitación y el alcance del suministro, así como los procedimientos de prueba aplicables según lo requiera el proyecto.
La información técnica proporcionada por el fabricante como parte del proceso de licitación generalmente debe incluir los siguientes elementos:
Si algún aspecto de la propuesta difiere de las especificaciones originales, el fabricante también debe proporcionar una lista de desviaciones y las razones de las mismas.
Una vez recibida una propuesta, el equipo de desarrollo del proyecto debe revisar la solicitud de cumplimiento y determinar si las variaciones están técnicamente justificadas.
Otras consideraciones técnicas a tener en cuenta al evaluar propuestas incluyen:
Finalmente, es necesario realizar un análisis económico. Dado que las diferentes opciones pueden resultar en diferentes costos iniciales, se recomienda realizar un análisis de flujo de caja o de costo del ciclo de vida para comparar la rentabilidad a largo plazo del proyecto y el retorno de la inversión (ROI). Por ejemplo, una mayor inversión inicial podría compensarse a largo plazo con una mayor productividad o una reducción en los requisitos de mantenimiento. Consulte las "Referencias" para obtener instrucciones sobre este tipo de análisis. 4.
Todas las aplicaciones de turboexpansores-generadores requieren un cálculo inicial de la potencia potencial total para determinar la cantidad total de energía disponible que se puede recuperar en una aplicación específica. Para un turboexpansor-generador, la potencia potencial se calcula como un proceso isentrópico (de entropía constante). Esta es la situación termodinámica ideal para considerar un proceso adiabático reversible sin fricción, pero es el proceso correcto para estimar la potencia energética real.
La energía potencial isentrópica (PPI) se calcula multiplicando la diferencia de entalpía específica a la entrada y la salida del turboexpansor por el caudal másico. Esta energía potencial se expresa como una cantidad isentrópica (Ecuación (1)):
IPP = (hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
donde h(i,e) es la entalpía específica teniendo en cuenta la temperatura de salida isentrópica y ṁ es el caudal másico.
Aunque la energía potencial isentrópica puede utilizarse para estimar la energía potencial, todos los sistemas reales implican fricción, calor y otras pérdidas de energía auxiliares. Por lo tanto, al calcular la potencia potencial real, deben tenerse en cuenta los siguientes datos de entrada adicionales:
En la mayoría de las aplicaciones de turboexpansores, la temperatura se limita al mínimo para evitar problemas indeseados como la congelación de tuberías, mencionada anteriormente. En los flujos de gas natural, casi siempre hay hidratos presentes, lo que significa que la tubería aguas abajo de un turboexpansor o una válvula de mariposa se congelará interna y externamente si la temperatura de salida desciende por debajo de 0 °C. La formación de hielo puede restringir el flujo y, en última instancia, detener el sistema para descongelarlo. Por lo tanto, la temperatura de salida deseada se utiliza para calcular un escenario de potencia potencial más realista. Sin embargo, para gases como el hidrógeno, el límite de temperatura es mucho menor, ya que el hidrógeno no cambia de gas a líquido hasta que alcanza la temperatura criogénica (-253 °C). Utilice esta temperatura de salida deseada para calcular la entalpía específica.
También debe considerarse la eficiencia del sistema turboexpansor. Dependiendo de la tecnología utilizada, la eficiencia del sistema puede variar significativamente. Por ejemplo, un turboexpansor que utiliza un engranaje reductor para transferir la energía rotacional de la turbina al generador experimentará mayores pérdidas por fricción que un sistema que utiliza transmisión directa de la turbina al generador. La eficiencia global de un sistema turboexpansor se expresa como un porcentaje y se tiene en cuenta al evaluar la potencia potencial real del turboexpansor. La potencia potencial real (PP) se calcula de la siguiente manera:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Analicemos la aplicación del alivio de presión de gas natural. ABC opera y mantiene una estación de reducción de presión que transporta gas natural desde el gasoducto principal y lo distribuye a los municipios locales. En esta estación, la presión de entrada del gas es de 40 bar y la de salida, de 8 bar. La temperatura del gas de entrada precalentado es de 35 °C, lo que precalienta el gas para evitar la congelación del gasoducto. Por lo tanto, la temperatura del gas de salida debe controlarse para que no descienda por debajo de 0 °C. En este ejemplo, utilizaremos 5 °C como temperatura mínima de salida para aumentar el factor de seguridad. El caudal volumétrico normalizado de gas es de 50 000 Nm³/h. Para calcular la potencia potencial, supondremos que todo el gas fluye a través del turboexpansor y calcularemos la potencia máxima de salida. Estime la potencia potencial total de salida mediante el siguiente cálculo:
Hora de publicación: 25 de mayo de 2024